（信号与信息处理专业论文）基于gprs的能见度测量与传输系统设计.pdf

摘要 摘要 能见度反映了大气浑浊的程度，是表征近地表大气污染程度的一个重要参量， 对航空、航海、路上交通以及军事活动都有重要影响n 町。目前国内能见度仪，特 别是适合高速公路环境的便携式、高精度仪较少，急需研制适合高速公路能见度 测量的仪器。 本论文在阐述大气能见度检测理论的基础上，研究了能见度检测系统设计的 相关技术，主要包括以下几个部分：如何稳定光源、微弱信号的检测、信号处理 以及g p r s 通信。本系统由发射部分、接收部分、信号处理部分、电源部分以及通 信电路等部分组成。设计了发射电路和接收电路的光学系统，并进行了发射光源 的调制设计、接收电路中的光电转换电路、放大电路、带通滤波电路的设计、信 号的锁定放大电路的设计以及t c 3 5 1 通信电路设计等。 大气能见度测量属于微弱信号检测技术，在高速公路的恶劣环境中，它很容 易受到外界自然光及其它环境因素的干扰，因此滤除各种干扰，提取有用的微弱 信号是本设计的核心内容。本设计当中把光敏检测技术和适合于微弱信号检测的 锁定放大技术作为核心部分加以了论述。对于弱辐照条件下的光电探测，由于光 电探测器件本身的非线性带来的误差会使器件产生较大的系统误差。为了减小系 统光电转换器件带来的系统误差，本电路中采用了高灵敏度的光电转换二极管 p d 7 0 - 0 1 b 。设计了以平衡调制解调芯片a d 6 3 0 为核心的锁定放大电路和由三极管 组成的模拟移相电路。实验证明，在较大的噪声背景下，该电路可以有效的提取 出反映能见度变化的有用信号。锁定放大器输出的直流信号，经c 8 0 5 1 f 0 2 0 中a d 模块处理后送入8 0 5 1 内核，经过理论运算反演得到能见度值。c 8 0 5 1 f 0 2 0 自带u a r t 端口，通过u a r t 端口将处理后的能见度信息以数据包的形式发送到t c 3 5 1 通信模 块，t c 3 5 1 通信模块以s m s 短信息的方式将本信息发送到高速公路指控中心。为了 保证系统工作稳定可靠，特别是适合于高速公路等野外恶劣环境，还必须对系统 进行防盐、雾、水的设计，对p c b 板进行了三防处理等。 最后设计并调试了样机。 关键词：能见度检测，c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，微弱信号检测，g p r s 通信 a b s t r a c t v i s i b i l i t yr e f l e c t st h ed e g r e eo fa t m o s p h e r i ct u r b i d i t yw h i c hi s a l li m p o r t a n t p a r a m e t e rt oc h a m c t e r i z ct h en e a r - s u r f a o ea i rp o l l u t i o n , o na v i a t i o n ，m a r i t i m e ，r o a d t r a f f i ca n dm i l i t a r ya c t i v i t i e sh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c t c u r r e n t l yv i s i b i l i t ym e t e r , p a r t i c u l a r l yf o rt h eh i g h w a ye n v i r o n m e n t , p o r t a b l e ，h i g h - p r e c i s i o ni n s t r u m e n tl e s st h e n e e dt od e v e l o pv i s i b i l i t yf o rh i g h w a ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fa t m o s p h e r i cv i s i b i l i t y ，o nt h i sb a s i s ， r e s e r c h e dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yo fv i s i b i l i t yd e t e c t i o ns y s t e m ，i n c l u d e st h ef o l l o w i n g s e c t i o n ：h o wt os t a b i l i z et h el i g h t 、w e a ks i g n a l sd e t e c t i o n 、s i g n a lp r o c e s s i n ga n dg p r s c o m m u n i c a t i o n s t h es y s t e mc o n s i s t so ft r a n s m i t t e r 、r e c e i v e r 、s i g n a lp r o e e s s i n g 、 p o w e rc o m p o n e n t sa n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t se t c d e s i g n e dt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r c i r c u i t so ft h eo p t i c a ls y s t e m 。a n dc o n d u c t e de m i s s i o nl i g h tm o d u l a t i o nd e s i g n 、 r e c e i v e rc i r c u i t sp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i t 、a m p l i f i e r 、b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t 、 t h el o c ks i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta n dt c 3 5 ic o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n a t m o s p h e r i cv i s i b i l i t ym e a s u r e m e n ti sb e l o n gt ow e a ks i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e s i ti sv u l n e r a b l et on a t u r a ll i g h t 丘o mo u t s i d ei n t e r f e r e n c ea n do t h e re n v i r o n m e n t a l f a c t o r si nt h eh a r s he n v i r o n m e n ti nt h eh i g h w a y t h e r e f o r e ，a l lk i n d so fi n t e r f e r e n c e f i l t e r st oe x t r a c tu s e f u lw e a ks i g n a li st h ec o r eo ft h i sd e s i g n t h ed e s i g no fw h i c ht h e p h o t o s e n s i t i v ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n di ss u i t a b l ef o rt h el o c k i n ga m p l i f i c a t i o no f w e a ks i g n a ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y 嬲ac o r ep a r tt ob ed i s c u s s e d i r r a d i a t i o nc o n d i t i o n s f o rt h ew e a ko p t i c a lp r o b e t h ee r r o rc a u s e db yt h en o n l i n e a rd e v i c ew i l lh a v ea g r e a t e r s y s t e m a t i ce r r o r i no r d e rt or e d u c et h es y s t e me r r o rc a u s e db yt h ec o n v e r t e ri no p t i c a l s y s t e m s ，t h i s c i r c u i tu s e sah i g h - s e n s i t i v i t y p h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o nd i o d e p d 7 0 - 0 1 b d e s i g n e dt h el o c k i n ga m p l i f i e rc i t c u i t 谢ma d 6 3 0 觞t h e c o r ea n dd e s i g n e d a n a l o gp h a s e - s h i f t i n gc i r c u i tw i t t lt r a n s i s t o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ，t h ec i r c u i tc a l l e f f e c t i v e l ye x t r a c tau s e f u ls i g n a lt or e f l e c tc h a n g e si nv i s i b i l i t yi nt h el a r g en o i s e c o n t e x t l o c k i n ga m p l i f i e ro u t p u t d cs i g n a l ，a dm o d u l e 通t h ep r o c e s s o ro f u c 8 0 5 1 f 0 2 0h a n d l e dt h ed cs i g n a l t h e nv i s i b u i t yv a l u ec a l c u l m e d c 8 0 5 1 f 0 2 0o w i i u 6 瓜tp o x ，u 媪tp o xw i l ls e n tt h ep a c k e t so fv i s i b i l i t yi n f o r m a t i o nt ot c 3 5 i c o m u n i c a f i o nm o d u l e t c 3 5 ic o m u n i c a t i o nm o d u l es e n dt h i si n f o r m a t i o nt ot h e h i g h w a yc o m m a n dc e n t e rw i t ht h ew a yo fs e n g d i n gs h o r tm e s s a g e t oa l l s u r et h e s y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，p a r t i c u l a r l yf o rt h eh i g h w a yo u t d o o rh a r s he n v i r o n m e n l t h es y s t e mm u mm s ob ea g a i n s ts m t ，f o g ，w a t e r w i t ht h r e ea n t i - t r e a t m e n to nt h ep c b b o a r d f i n m l y ，d e f i g na n dd e b u g g i n go f t h ep r o t o t y p e k e y w o r d s ： v i s i b i l i t yd e t e c t i o n , c 8 0 5 1f 0 2 0 ，w e a k s i g n f l d e t e c t i o n ,g p r s c o m m u n i c a t i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了声明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鞫牡签字日期：立型二l 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网 络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保 密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 协开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) t9 。 学位论文作者签名：篁兰! 叠签字日期：兰= = ! ：2 ： 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 能见度是气象观测的常规项目，它反映了大气浑浊的程度，是表征近地表大气污染程度的 一个重要参量，对航空、航海、路上交通以及军事活动都有重要影响。在气象学上【4 】，能见度 是识别气团特性的关键参数之一，它代表了大气光学状态。 目前我们国家大部分气象台站仍采用人工目测的方法来确定能见度。然而目测能见度主 观因素较多，误差往往较大，特别是夜间能见度的目测结果误差就更大，不能满足许多需要 比较精确测量结果的场合。虽然，有些气象台站开始或者已经采用了中心波长为红外波段的 前向散射式能见度仪，然而，这种能见度仪是基于光的前向散射来确定能见度的，体积大、 基线长、安装复杂、价格昂贵，很难大范围采用。 考虑到我们国家能见度测量的精确性以及普及性要求，我们必须研制出成本低廉、安装 方便、测量精度相对精确的能见度测量仪来满足社会进步对精密仪器的不断追求。在这种背 景下，我们提出了这一课题的研究。 li2 国内外研究现状畸3 能见度的研究由来以久，很久以前，人们测量能见度主要依靠人眼这一最直接的方式， 但是能见度是一个复杂的心理一物理现象。这种测量方式受观测者的主观因素影响很大，所 以产生的误差也比较大，但是由于当时的社会需求对能见度的要求也不是很高，这种方法持 续了很多年。我们国家气象技术研究起步较西方国家晚，使得我们国家很多气象台站依旧使 用最老式的观测方法。 随着社会的进步，电子技术的长足发展，尤其是航空航天、航海等领域的急速发展，对 能见度的测量提出了更高的要求，在这种时代背景下，人们热切希望能够得到更加客观的、 准确的能见度值。这就催生了器测能见度的发展。 2 0 世纪4 0 年代，已经有人用照像法来测量能见度【2 4 】，它通过用照相机拍摄黑色目标物， 然后设法从图片求得目标物与背景的相对亮度比，并以此来推算能见度值。但由于当时从拍 照、冲洗照片到测定目标物与背景物的亮度对比，全是手工操作，不仅操作繁琐、耗费时间， 而且难以真正实现定量化，后来这种方法并未付诸实际应用。到了5 0 年代中期，国际上就出 现了透射型能见度仪，它是基于光的透射率来确定大气能见距离的。它的方法很简单，就是通 过设置一个人工光源，在一定的距离外检测光源衰减的程度，计算其大气衰减系数来换算出 能见距离，这种方法非常直截简单，但透射型能见度仪体积大，基线较长，安置复杂，价格昂贵， 仅被重要机场所采用，难以在高速公路和气象观测等部门普及。6 0 年代又出现了散射型能见度 仪，它是根据粒子对光的散射特性确定能见距离的。这种仪器成本较低，安装方便，弥补了前者的 南京信息工程大学硕士学位论文 不足，在以后的发展中又得到了进一步的研究和应用。 二战以后，美国科技经济高速发展，尤其是其航空航天领域的发展，使得美国对能见度 的开发研制较为重视。美国拥有许多著名的可以对能见度仪器进行全面试验的实验基地，如 著名的气象仪器测试基地斯特林研究发展中心建有一专门的能见度测试中心，该中心测试 手段先进、所选仪器可以代表各种技术发展的水平。每年该中心都向w m o ( 世界气象组织) 通报各国先进的能见度仪器的对比实验报告和资料。美国有许多公司都在开发研制各类能见 度仪，如e g & g 环境公司、h a n d a r 公司、h s s 公司、卡尔科学公司等。 日本电子技术全球负有盛名，使得日本的能见度仪器如同其其他电子产品一样，因质量 上乘和工艺精湛而为许多用户所接纳。在美日之后，欧美一些国家也都相继在机场跑道、公 路、港口设置了能见度仪器。但是由于当时科技发展的时代局限，这些器测能见度仪器往往 价格非常昂贵，如芬兰v a i s a l a 公司的p w d 2 0 型低功耗能见度仪，采用新型的散射原理气象 能见度值，它的反射光波为8 7 5 n m 近红外光，每台售价都在1 0 万人民币左右。 其主要技术指标如表1 1 所示： 测量范围：1 0 2 0 0 0 0 m安装方式：避免阳光直射或反射之镜头 精度： 1 0 0 0 m 1 0 工作环境：温度一4 0 + 5 5 1 0 0 0 m 1 5 湿度0 1 0 0 r 8 ( 室外) 时间常数：6 0 s镜头维护周期：6 个月 工作电压：2 4 v d c抗风强度i6 0 m s 功耗：3 w通信方式：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 表1 - 1p w d 2 0 技术指标 国内对能见度检测的相关研究起步比较西方发达国家晚了许多，研制过程也比较缓慢， 加上电子技术水平比较落后，很多产品都停留在实验室或者是样品阶段，很长一段时间，在 整个能见度产品市场很少看到中国的产品。在这一时期，我们主要是对西方技术和概念的吸 收。 到了2 0 世纪7 0 年代，我们国家开始了器测能见度的研究。吕达仁等利用红宝石激光雷 达在北京地区测量了水平方向大气平均衰减系数，并与目测能见度做了比较。之后赵燕曾等又 利用激光雷达进行了斜视能见度的测量。目前我国也有几个部门在进行器测能见度的研究，如： 1 9 9 9 年，空军第一航空学院陈玉科等提出了一种利用1 0 6 4 a n 激光通过测量大气消光系 数来反演能见度的方法来测量能见度 1 9 1 。能见度的探测误差为：在能见距离 5 0 0 m 的时候测 量误差 5 0 m ，5 0 0 1 0 0 0 m 时，测量误差1 0 0 m ，在1 0 0 0 m 以上时，测量误差 1 5 。 2 0 0 3 年，北京航空航天大学邓可等人通过测量一小空气体积对光的前向散射来计算能见 度，这种方式具有测量范围大、工作稳定、结构简单、安装方便等优点。已经在航空、航海、 高速公路、气象与环境研究检测以及军事气象等领域获得了广泛的应用，该前向散射能见度仪 由发射器、接收器、电源控制器和机架等部分组成，采用红外光源的前向散射体制、交叉光路 结构，发射器与接收器之间的距离为1 2 0 0 r a m ，主散射角为3 5 。仪器工作时，发射器通过红外 发光管发出一束中心波长为9 4 0 姗的红外光射入大气中，接收器将特定体积大气的前向散射 2 南京信息工程大学硕士学位论文 光汇聚到光电传感器的接收面上，并将其放大处理，转换为与大气能见度成反比关系的电信号。 此信号经处理后送至控制器的数据采集板，经c p u 取样和计算得到大气能见度值，并通过 r s 2 3 2 长线驱动器送至计算机进行显示和输出。 能见度仪机架承载发射器、接收器、电源控制器，用于能见度仪在野外指定的观测场所的 安装和定位 2 0 l 。在能见度仪校准时，用于专用校准装置的安装、固定。结构和光电原理如图1 ： 图2 所示。此装置的组成框图如下图1 1 所示，光路图如图l - 2 所示： 发射器 l 接收器 一。一一一 图1 - 1 前向散射能见度仪总原理框图 图1 - 2 前向散射能见度仪光路图 该能见度探测仪通过与人眼观测及国际成熟产品的比对试验征明了系统产品经受住了各 种自然环境条件下长期连续应用的考核，能够正常工作。该仪器设备在功能、性能和精度上达 到国际领先水平。 随着数字摄像技术的发展，目前我国基于数字摄像技术测量白天气象能见度的方法有3 种【1 7 】： 3 - 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 在数字图像上依次判断不同距离的目标物是否可见来估计能见度，类似于目测，其探 测范围和精度受限于视野范围内可选用的目标物的距离和数量； ( 2 ) 测量地平线附近一个暗目标物和其邻近天空的亮度对比计算能见度( 简称亮度对比方 法) ，应用于数字摄像能见度观测系统( d p v s ) 中时其致命缺陷是计，只适合能见度小于基线长 度约5 倍时的观测，局限性很大； ( 3 ) 利用两组目标背景亮度差的比值计算气象能见度( 简称双亮度差方法) ，该方法能有效 地消除系统暗电流和背景杂散光的影响。已有的研究和试验结果展示了数字摄像技术在白天 气象能见度监测上的良好应用前景，不过双亮度差方法仍假定在标准观测条件下进行，如每 组目标一背景视线方向应尽量保持一致，且两组目标一背景的视线方向也要尽可能保持彼此 接近；视线方向上气柱光学特性和照明条件均一；双目标的反射率均可以忽略，即采用实用 黑体做目标物等。总之，基于数字摄像技术、采用双亮度差方法测量气象能见度或大气消光 系数，在原理上没有透射仪测量受光源前向散射影响和前向散射仪忽略气溶胶吸收效应等固 有的缺陷，也解决了观测单目标物天空背景的亮度对比法受系统暗电流和背景杂散光影响的 问题，因而在理想或标准观测条件下可得到高精度的结果，在实际观测中可通过各种误差控 制措施减小非标准观测条件的影响，也能够得到可信、可靠的测量结果，在气象能见度或大 气消光系数的测量上有重要的应用前景。双亮度差方法只适用于白天气象能见度的观测，不 能测量夜间气象能见度，还不能够实现日夜不间断自动测量，不能够满足常规观测需求。 当前。世界上普遍使用的能见度仪是透射仪和前向散射仪，透射仪在雾滴引起的中低能见 度条件下测量结果较为准确，常被用于民航系统，但在有降水( 如雨、雪等) 或漂尘( 如扬沙等) 现象发生时，透射仪自身光源引起的前向散射光的影响不容忽视。前向散射仪因其体积小、安 装简单、容易维护、测量范围广等特点，在码头、航空、高速公路等部门得到了广泛地应用， 但在不同类型气溶胶条件下前向散射仪需要不同的修正，且非常小的采样体积的代表性也是需 要考虑的问题。另外在科研领域中，激光雷达可被用于测量水平和倾斜能见度( 其他仪器无法观 测倾斜能见度) ，但其反演结果的准确性依赖于消光系数与后向散射系数之间函数关系的假定， 或者依赖于气溶胶特性随视程均匀分布的假定，雨、雾和沙尘暴等低能见度条件下的多次散射 效应也严重限制其探测的可靠性，加上其成本昂贵、维护费用高、操作较复杂等因素，使其在气 象能见度的测量中并没有被广泛应用。 总之，上述测量气象能见度的仪器虽然各有自己的优点，但也都存在着各自固有的原理或 方法上的局限性或重要缺陷，迄今还没有一种仪器的测量结果可以作为气象能见度观测比对的 标准，所以研究气象能见度新的测量原理、方法和技术，提高测量的定量化和自动化水平，仍是当 前环境监测和大气遥感领域的一种迫切需求，同时也提出了如何科学、合理地标校和评价气象 能见度观测仪器的精确度的问题。 1 3 本课题的主要研究工作 由于本设计是应用于高速公路测量能见度，我国高速公路里程早己达到世界前列，因此 4 南京信息工程大学硕士学位论文 该仪器有广泛的应用前景。高速公路两侧除了各种告示牌可以利用以外，没有更多的可以利 用的工具。鉴如此要求我们设计一个价格便宜且功耗要低易于安装的能见度仪。由于公路 两侧建立有线传输网络不美观且不经济，在将能见度信息传递出去的时候，我们选择了s m s 短信息的形式，此能见度仪是基于s o c c 8 0 5 1 f 0 2 0 的后向散射式能见度仪，其检测、通信原 理如图1 - 3 所示，由发射模块、接收模块、信号采集处理 模块、电源模块、通信模块等几部分组成，所以本论文的主要研究工作为： ( 1 ) 发射模块的设计：发射光路的设计：理想光源的选择及调制等： ( 2 ) 接收模块的设计：接收光路的设计：被测信号的滤波和放大电路设计；杂散光的滤除：小 信号放大电路的设计等； ( 3 ) 信号处理；能见度的演算等； ( 4 ) e g 源模块：发射模块、接收模块及信号处理芯片提供电源管理： ( 5 ) 通信模块设计：将测量能见度结果传输到高速公路监控中心： 釜驳移 敏一 图卜3 后向散射能见度仪原理框目 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章能见度探测的理论依据 大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等气溶胶颗粒，光在大气中传播时，要受到大气 的影响，其强度、传播方向以及偏振状态都会发生变化。这种作用主要有吸收、散射和折射。 在大气作用过程中，折射过程与能量收支问题关系比较小。因此在大气对辐射光的作用中主 要由吸收和散射造成。大气消光系数是吸收、散射系数之和。我们只要通过测量吸收、散射 就能够得到大气消光系数。最后利用1 9 2 4 年，k o s c h m i e d e r 建立的能见度测量理论就能够建 立能见度测量模型。本设计就是利用这一原理来反演能见度值。 2 1 大气的成分及分布 地球大气由多种气体和悬浮于其中的固体粒子或气体粒子所组成。对于大气中的各种成 分，我们按照其所占的浓度分为：主要成分、微量成分和痕量成分三个部分，后两个部分也 可以合称为次要成分或者微量成分。 主要成分一般指，、d ，、a ，及c o s ，浓度都是在3 0 0 p p m v 以上：微量成分，浓度在 1 2 0 p p m v ，痕量成分浓度在l p p m v 以下， 我们观察的是大气能见度，也就只需观察近地面部分( 对流层内) 大气各成分对能见度 因子大气消光系数的影响。 下表2 1 为对流层内主要成分组成情况；表2 - 2 为次要成分组成情况。 气体相翌2 子! 胃要 浓度( 腭m 。3 ) 同位素 质量百分比百分比 1 4 9 9 ，6 3 5 n v 2 8 0 1 3 47 8 0 8 47 5 5 2 9 7 6 x l o s 。 ”0 6 3 5 1 6 09 9 7 5 9 0 o 准 q 3 1 9 9 8 82 0 9 4 82 3 1 52 9 8 x 1 0 81 7 00 0 3 7 4 定， 成 1 8 00 2 0 3 9 a r9 9 6 0 0 0 o r3 9 9 4 80 9 3 4 1 2 8 1 6 6 x l o 3 8 a r0 0 6 3 撕彳，0 3 3 7 可一 1 2 c9 8 9 成匀 4 4 0 0 9 90 0 3 3 0 0 5 ( 4 8 ) 1 0 5 1 3 c1 1 c2 x 1 0 1 0 表2 1 低层( 对流层内) 大气的主要成分 浓度 气体相对分子质量 p p m v，( 飕m 句) 准胞2 0 1 8 3 1 8 1 81 6 1 0 4 6 南京信息工程大学硕士学位论文 定 h e4 0 0 35 2 49 2 0 常 k r 8 3 8 01 1 44 1 0 0 成 x e 1 3 1 3 00 0 8 75 0 0 分 h 2 0 4 1 o3 6 9 0 2 0 1 6 1 2 1 58 5 0 一1 1 0 0 c h 4 1 6 0 4 o 2 5 0 65 0 0 1 2 0 0 n 、0 可 4 4 o l 0 0 i o 21 0 2 0 0 c d 2 8 0 l l o - 3 。1 0 0 。1 0 0 d 3 4 7 9 9 8 水汽 1 8 0 1 5 o 0 0 2 o 0 22 2 0 变 n h 4 1 7 0 3 o o 0 2o 5 0 s 0 26 4 0 6 o o 1o 1 6 成 c h 2 0 3 0 0 3 ( 2 2 0 ) x 1 0 弓 3 - 3 0 日2 s 3 4 0 7 4 6 ( 1 4 5 ) x 1 0 。3 2 - 8 分 n 0 2 2 5 3 8 0 ( o 4 4 ) x 1 0 巧0 0 5 0 5 i 7 0 9 0 【3 1 5 ) x 1 0 。4 1 5 a 2 气溶胶 ( 1 1 0 0 0 ) x 1 0 胡一 表2 2 低层( 对流层内) 大气的次要成分 2 2 大气分子对光的选择吸收 大气中各种气体成分具有选择吸收的特性，这是由组成大气的分子和原子结构及其所处 的运动状态决定的。大气的吸收有显著的选择性。吸收短波辐射的主要气体是日，d ，其次是 d 2 和d ，c o ：吸收的不多，吸收长波辐射的主要是日，d ，其次是c o ：和d ，。 疗，d 的吸收带主要在红外区，而且几乎覆盖了大气和地面长波辐射的整个波段。日，d 吸 收作用最强的波段位于6 3 n n 振转带和大于1 2 a n 的转动带。大气中的液态水( 云雾滴等) ， 其吸收带和水汽的吸收带相对应，但波段向长波方向移动。 d 的吸收主要在小于0 2 5 u n 的紫外区，有舒曼龙格( s h u m a n n r u n g e ) 吸收带， 波段为0 1 2 5 0 2 0 2 6 n n ；较弱的有赫兹堡( h e r z b e r g ) ，波段在0 1 9 1 6 0 2 4 3 9 u n 。虽 然其吸收作用很强，但是主要集中在0 2 5 n n 以下。d ，在可见光区还有两个较弱的吸收带， 其中心分别在0 7 6 u n 和0 6 9 0 n 。 c o ：主要吸收带在大于2 o n 的红外区有吸收，比较强的是中心位于2 7 a n ，4 3 a n 和 1 5 u n 的吸收带，对于大气波段的吸收，c 0 2 一般在1 5 朋左右。 从以上分析可以知道，如果我们采用激光频率在0 3 a m 0 9 n n 就可以有效减少激光在 传播过程中的吸收。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 在本系统设计当中由于选用了这种设计思路，故在测量大气消光系数的过程中，可以忽 略大气吸收对大气消光系数测量的影响，而只需要测量大气散射系数来计算大气消光系数。 2 3 大气对辐射的散射 电磁波在遇到大气中的气体分子以及悬浮的尘埃、云滴、雨滴、冰粒和雪花等粒子时， 会产生散射现象，使一部分入射波能量改变方向射向四面八方，而原方向的辐射能被削弱。 散射现象的本质就是：气体分子以及气溶胶粒子由电子和带正电的质子组成，当电磁波照射 到气体分子和气溶胶粒子后，正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子，并在电磁波 作用下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波。这种次生电磁波就是散射辐射，它的波长和 原始相同，并且与原始波有固定的相位关系。 发射机发射出的辐射能在大气传输过程中【2 6 】，由于散射作用，一部分辐射能改变原来的 传播方向向后方传输，这就是本后向散射仪在理论上能够实现的现实理论基础。当然在辐射 能传输过程中，能量的散射是在各个方向上都有的，这也就是为什么我们能在侧面观察到激 光束的原因。 2 3 1 散射过程的分类 散射在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的，不是选择性的，但散射的强 弱及空间分布却于波长及散射质点的相对大小有关。图2 1 给出了大气中常遇到的各种颗粒物 散射的情况。纵坐标为粒子尺度，在图的右侧给出了这些颗粒物的名称，横坐标为波长名。 引进尺度数a = 2 死r $ ，按照a 的大小可将散射分为三类：瑞利散射、米散射和几何光学散 射。 ( 1 ) 口 l ，即r 旯时的散射，首先是瑞利( r a y l e i g h ) 进行研究的，称为瑞利散射， 也称为分子散射。可见光和近红外光的波长一般在0 4 旧n o 9 二册之间，而气体分子的大小 约为1 0 。4 二朋，因此气体分子对可见光以及近红外光的散射属于瑞利散射。 ( 2 ) 0 1 五时的散射，属于几何光学散射范畴。大雨滴( 1 4 r a m ) 对可 见光的散射就属于此类。虹和晕就是光在雨滴和冰晶上发生反射、折射等现象造成的，它们 服从集合光学的规律。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 雨清 毛毛雨滴 云滴 烟尘霾 空气分子 图2 一l 大气中各种粒子散射的尺度分布( _ a 】l a c e 和h o b b s ，1 9 7 7 ) 2 3 2 散射过程分析 对一个散射粒子而言，散射辐射能量的分布是三维空间的函数，粒子的散射方向不仅 和尺度数有关，还和粒子的折射率有关。反映散射辐射能量空间分布的是散射方向性图。不 同尺度粒子的散射方向性图如下图2 - 2 所示： ir - n x n 千蠹* 先重e $ 曩 图2 - 2 不同尺度粒子的散射方向性图( 引自m c c a r t n e y 。1 9 7 6 ) 通过上面散射方向性图可以很容易的想到利用前向散射能的探测，这也就是为什么现在 大部分的能见度探测设各都是基于前向散射原理，但是随着电子技术的长足发展，各种电子 元器件的性能都发生着日新月异的变化，虽然后向散射能和侧向散射能的探期隋些艰难，但 南京信息工程大学硕士学位论文 是他们使用方便的特性还是使得这种研究具有前向散射能见度仪无法比拟的优势，这也就是 本设计的初衷，大气中的各种固态和液态的气溶胶粒子，包括尘埃、烟雾、云层等与入射光 的相互作用主要表现为m i e 散射。其特点就是散射粒子的尺寸与入射光波长相近或比入射光 波长更大。本课题研究的内容就是基于m i e 散射的原理【2 2 1 。 2 4 能见度探测仪原理乜1 2 4 i 标准测量公式 日常经验告诉我们，当观察一个具有足够大视角的目标物时，只有当这个目标物和它的背 景之间有相当程度的亮度或者色彩上的差异，才能把它从背景中识别出来，对观察遥远目标 而言，具有决定意义的是亮度差异。 假定目标物和背景的亮度分别等于b 和b 。，并且取天穹作为背景，那么光亮度对比c 定义 为【2 1 1 ： 一l 岛一雪l i 司 ( 2 1 ) 由定义可知，c 的数值表示了目标物和背景的亮度差异的相对比值，如果目标物是绝对黑体， 因为黑体不发光，那么c = 1 ，c 大，目标物就看得清楚；当c 逐渐减小，我们就感觉到目标 物逐渐模糊。事实上，在c 减小到零之前，就已经不能把目标物从背景中区别出来了，这个 开始不能把目标物从背景中分辨出来的对比值称为对比感阈，气象学上常用占表示，由此可 见，c = 占是目标物由能见转为不能见的条件。 对比感阈是一个复杂的物理量，就人眼来讲，它既反映了人眼的生理特性，也和外界条 件有关，包括如下几个方面： ( 1 ) 目标物的视张角和视野亮度。不同视张角的目标物能被识别出来的对比感阈随着目 标物张角和视野亮度的减小而增大。 ( 2 ) 目标物的持续时间。若目标物是时显时隐的，则对比感阈要加大，实验指出，人眼 识别目标物所花费的时间大约是喜s ，若目标物显示的时间比这个数值小，目标物就难以被识 j 别，除非对比度很大。 ( 3 ) 目标物在视场中的位置。若目标物在视场中央，对比感阈最小，反之就要加大，所 以当我们搜寻目标物的确切位置的时候，要求有个较大的对比度才能发现。 ( 4 ) 个人精神上的因子，包括个人的健康、心理状态等。 2 4 2 对比度传输口3 以上考虑还没有加入大气的作用，它只是反映目标物和背景固有的亮度差异，称为固有 对比。当透过一段大气去观察目标物时，实际看到的是视亮度。 1 0 - 南京信息工程大学硕士学位论文 大气对视亮度的影响有两个方面：( 1 ) 大气的削弱作用使固有亮度减小 透明度为h ，则视亮度应是固有亮度乘以h 。( 2 ) 由于大气对光的散射作用 光。设这段气柱的亮度为口，那么在相距为r 处的亮度分别为： i b = 口f 月+ b 月， i b _ = “+ f r ， 相对应的视亮度对比为： 设这段大气的 气柱本身要发 ( 2 - 2 ) 一睁爿= 吲。+ 丧一一 沼s ， 其中c 为固有对比，而 r ：l l + 堡l 1 ( 2 4 ) b 。7 r 称为对比度传输系数，它反映固有对比在大气中传输时变化的情况，从对比度传输系数的定 义可以看出，只要空气柱叠加上去的亮度艮不为零，r 就是一个小于l 的正数，而且随着距 离的增大，r 逐渐减小。即视亮度对比将减小。这是因为随着距离的增大，巩将越来越大， 而从物体和背景来的光越来越弱的结果。通过对比度传输系数的引入，我们就能根好的把目 标物的固有特性和大气的影响区分开来，这样就特别有利于我们分析大气在扼见度问题中的 影响口”。 大气对目标物观察的影响示意图1 如下图2 - l ： 图2 1 大气对目标物观察的影响 从上图2 - l 可蚍看出，对普遍的情况而言，t 。和如可以分别写为 。= w - 肛叫 巩舡“一舢m 2 - 5 2 6 ) 南京信息工程大学硕士学位论文 其中k ( ，) 和k ( z 。) 分别为j 和j 距离上的大气消光系数：_ ( f ) 为观察角锥中单位长度的气柱向 观测方向发送的散射光亮度，如果我们观察的目标物在水平方向，又由于大气在水平方向上 具有消光系数均一的特点，那么上式可以简化为： f r = e x p - k a r 】 ( 2 6 ) 凡= ( 1 一f ) ( 2 - 7 ) 将( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 代入( 2 2 ) 中，那么可以得到： i b 矗= 凡q e 蚶) ， c ：墨华：业p 谢， ( 2 8 ) lb ， 当我们以目测能见目标物作为选择标准，那么不反光的黑色目标物在原始位置上的亮度b 为 0 ，那么能见阈值就为： c = p 谢 ( 2 9 ) 上式即为k o s c h m i e d e r 能见度测量公式，对于正常人的目测条件，对比阈值低于一定数值的情 况下，人们将无法从背景中分辨目标物的轮廓。对此比值设定一个下限阀值，称作为对比感 阈占，在能见度要求不高的场合，我们常取s = 0 0 2 ，而对如像航空气象部门，为了保证飞行 的安全，在定义能见距离的时候使用较高的对比感阈值( 占= 0 0 5 ) 。在本设计中，我们取 占= 0 0 2 。将此值代入( 2 1 0 ) ，这时能见度和消光系数之间就有了下列关系： r = 亡h 而i = 半 ( ) ko 0 2 七一 2 4 3 修正后的测量公式 由于人眼对5 5 0 r i m 的绿光最为敏感，那么对单波长的能见度测量仪器而言，( 2 1 0 ) 就可 以修正为： r ：一3 9 1 2 ( 2 1 1 ) k 。 由于本系统的设计是在8 0 8n m 处完成的。由于消光系数的大小受多种因素的影响。尤其是 受波长的影响最大，因此针对工作波长为8 0 8 万聊的测量仪器而言，要对( 2 1 1 ) 式进行修正。 修正后的( 2 一1 1 ) 可以表达为 置；3 9 1 2 月0 ) ，最大处在f = 0 处； r ( o ) = f 2 ，即r ( o ) 是函数的均方值； 对非周期的厂o ) ；其自相关函数从f = 0 的最大处，单调减少至厂o ) 的均方值； 对周期的，o ) ，其自相关函数具有与厂o ) 相同的频谱。 实现自相关检测的原理框图如图3 - 1 6 所示： 冠( ) 图一1 6 自相关检测原理框图 设输入( f ) 由被测信号量( f ) 和噪声珥( f ) 组成，即： 薯o ) = s ，( f ) + ( f ) ( 3 - 1 5 ) 工，( f ) 同时输入到相关接收机的两个通道，其中之一将经过延时器，使它迟延一段时间 f 。经过迟延的五o f ) 和未经迟延的x i ( f ) 均送入乘法器内，再将乘积积分后输出平均值， 从而得到相关函数上一点的相关值。如果变更迟延时间f ，重复上述计算就能得到相关函数 疋p ) 与f 的关系曲线，即得自相关输出为： 月。p ) = n 。一m l ，( 一，：f ) 工。o f ) 出 ( 3 - 1 6 ) 计算得到： 疋( f ) = 民( f ) + 吃( f ) + 凡( f ) + 心( f ) ( 3 1 7 ) 根据互相关函数的性质，由于信号墨( f ) 和噪声( ，) 不相关，并且噪声的平均值为零，得 2 8 南京信息工程大学硕士学位论文 到r 。p ) = o ，尺。( f ) = o ，则疋 ) = 也 ) + 如0 ) 。随着时间r 的增大，如0 ) _ o ，那 么对于充分大的时间常数f ，可以得到r 。p ) = r 。0 ) 。这样就得到了信号岛( f ) 的自相关函 数疋0 ) ，它将包含着墨( f ) 所携带的某些信息。 ( 2 )互相关检测 互相关函数指的是两个不同的随机变量之间的统计依赖型。两个有同一自变量的函数 厂( f ) 和f ( f ) ，是可能存在着关联的，无论这两个函数是随机函数还是非随机函